(57)【要約】  リグノセルロース系バイオマスをアンモニア水により前処理する際に、リグニンが十分に解離された糖化前処理物が得られる糖化前処理物の製造方法およびそれに用いる前処理装置を提供する。糖化前処理装置１は、基質と、２０〜３０質量％のアンモニア水とを、基質：アンモニア水＝１：０．７〜１：１．３の質量比で混合して基質混合物を得て、得られた基質混合物を加熱して、２５〜１００℃の温度で、１〜１００時間保持し、基質からリグニンを解離し、又は基質を膨潤させて、アンモニア含有糖化前処理物を得て、得られたアンモニア含有糖化前処理物からアンモニアを分離させて糖化前処理物を得る処理手段２と、処理手段２にアンモニア水を供給するアンモニア水供給手段４とを備える。
2011142426.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基質としてのリグノセルロース系バイオマスを糖化する前に前処理を施して、該基質からリグニンが解離され、又は該基質が膨潤された糖化前処理物を得るリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理物の製造方法において、
該基質と、２０〜３０質量％の範囲の濃度のアンモニア水とを、基質：アンモニア水＝１：０．７〜１：１．３の質量比で混合して基質混合物を得る工程と、
該基質混合物を加熱し、２５〜１００℃の範囲の温度に、１〜１００時間の範囲の時間保持して該基質からリグニンを解離し、又は該基質を膨潤させて、アンモニア含有糖化前処理物を得る工程と、
該アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアを分離させて糖化前処理物を得る工程とを備えることを特徴とするリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理物の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載のリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理物の製造方法において、前記アンモニア含有糖化前処理物から分離されたアンモニアを水に溶解させてアンモニア水として回収する工程と、糖化前処理物を後工程に移送する工程とを備えることを特徴とするリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理物の製造方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載のリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理物の製造方法において、前記基質混合物を、６０〜９０℃の範囲の温度に、６〜２４時間の範囲の時間保持することを特徴とするリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理物の製造方法。
【請求項４】
基質としてのリグノセルロース系バイオマスを糖化する前に前処理を施して、該基質からリグニンが解離され、又は該基質が膨潤された糖化前処理物を得るリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理装置において、
該基質と、２０〜３０質量％の範囲の濃度のアンモニア水とを、基質：アンモニア水＝１：０．７〜１：１．３の質量比で混合して基質混合物を得て、得られた基質混合物を加熱して、２５〜１００℃の範囲の温度で、１〜１００時間の範囲の時間保持し、該基質からリグニンを解離し、又は該基質を膨潤させて、アンモニア含有糖化前処理物を得て、得られたアンモニア含有糖化前処理物からアンモニアを分離させて糖化前処理物を得る処理手段と、
該処理手段に該アンモニア水を供給するアンモニア水供給手段とを備えることを特徴とするリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理装置。
【請求項５】
請求項４記載のリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理装置において、前記アンモニア含有基質混合物から分離されたアンモニアを水に溶解させてアンモニア水として回収するアンモニア水回収手段と、前記糖化前処理物を後工程に移送する移送手段とを備えることを特徴とするリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理装置。
【請求項６】
請求項５記載のリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理装置において、前記アンモニア水回収手段により回収されたアンモニア水を、前記アンモニア水供給手段に還流するアンモニア水還流手段と、前記アンモニア水供給手段に還流されるアンモニア水の濃度を調整するアンモニア水濃度調整手段とを備えることを特徴とするリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リグノセルロース系バイオマスの糖化前処理物の製造方法及びそれに用いる糖化前処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化防止の観点から、その原因の一つと考えられている二酸化炭素排出量を削減することが求められている。そこで、ガソリン等の液体炭化水素とエタノールとの混合燃料を自動車燃料に用いることが検討されている。【０００３】
前記エタノールとしては、植物性物質、例えばサトウキビ、トウモロコシ等の農作物の発酵により得たものを用いることができる。前記植物性物質は、原料となる植物自体が既に光合成により二酸化炭素を吸収しているので、かかる植物性物質から得られたエタノールを燃焼させたとしても、排出される二酸化炭素の量は前記植物自体が吸収した二酸化炭素の量に等しい。即ち、総計としての二酸化炭素の排出量は理論的にはゼロになるという所謂カーボンニュートラル効果を得ることができる。【０００４】
ところが、前記サトウキビ、トウモロコシ等は、エタノールの原料として大量に消費されると、食料として供給される量が減少するという問題がある。【０００５】
そこで、前記植物性物質として、サトウキビ、トウモロコシ等に代えて、食用ではないリグノセルロース系バイオマスを用いてエタノールを製造する技術が検討されている。前記リグノセルロース系バイオマスは、セルロースを含んでいるので、該セルロースを酵素糖化によりグルコース等の糖に分解し、得られた糖を発酵させることによりエタノールを得ることができる。前記リグノセルロース系バイオマスとして、例えば稲藁を挙げることができる。【０００６】
ところが、前記リグノセルロースは、セルロースの他にヘミセルロース及びリグニンを主な構成成分としており、通常該セルロース及び該ヘミセルロースは、該リグニンと強固に結合されているため、そのままでは該セルロースに対する酵素糖化反応が阻害される。従って、基質としての前記リグノセルロースを酵素糖化反応させるに際しては、予め、該基質からリグニンを解離し、又は該基質を膨潤させて、酵素が該基質に接触できるようにしておくことが望ましい。【０００７】
尚、本願では、「解離」との用語は、セルロース又はヘミセルロースとリグニンとの結合の少なくとも一部を切断することを意味する。又、「膨潤」との用語は、液体の浸入によって結晶性セルロースを構成するセルロース若しくはヘミセルロースに空隙を生じ、又はセルロース繊維の内部に空隙を生じて、該結晶性セルロースが膨張することを意味する。【０００８】
そこで、従来、リグノセルロース系バイオマスを液体アンモニアと混合した後、急激に圧力を低下させることにより、該バイオマスからリグニンを物理的に除去するリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置が知られている（特許文献１参照）。【０００９】
前記従来のリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置では、前記リグノセルロース系バイオマスに液体アンモニアを添加して、得られたバイオマス−アンモニア分散液を加熱すると共に、アンモニアが気化しないように加圧圧縮する。そして、前記バイオマス−アンモニア分散液を装置外に排出する。【００１０】
このとき、前記バイオマス−アンモニア分散液は、前記排出に伴って急激に減圧されるので、液体アンモニアが気化し、生成したアンモニアガスが爆発的に膨張する。この結果、前記バイオマスも共に急激に膨張させられることとなり、該バイオマスとリグニンとの結合が物理的に切断されて、該リグニンが除去される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００５−２３２４５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、前記従来のリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置では、前記バイオマス−アンモニア分散液から分離されたアンモニアガスを、液体アンモニウムとして再利用するためには、該アンモニアガスを約２ＭＰａに加圧して液化させなければならず、コストが増大するという不都合がある。【００１３】
前記不都合を解消するために、基質としての前記リグノセルロース系バイオマスの前処理に、アンモニアに代えてアンモニア水を用いることが考えられる。前記アンモニア水は、常圧で回収することができ、アンモニアに比較して容易に再利用に供することができる。【００１４】
この場合、基質としての前記リグノセルロース系バイオマスをアンモニア水に分散させて基質混合物とし、該基質混合物を加熱すると、セルロース又はヘミセルロースとリグニンとの結合の少なくとも一部が化学的に切断されて解離されると考えられる。また、前記リグノセルロース系バイオマスにおいて、アンモニア水の浸入によって結晶性セルロースを構成するセルロース若しくはヘミセルロースに空隙を生じ、又はセルロース繊維の内部に空隙を生じて、該結晶性セルロースが膨張し、膨潤すると考えられる。【００１５】
そこで、基質としての前記リグノセルロース系バイオマスをアンモニア水に分散させた基質混合物を前処理して、リグニンを十分に解離させ、又は該基質を十分に膨潤させることができる条件を設定することが望まれる。【００１６】
本発明は、かかる事情に鑑み、基質としての前記リグノセルロース系バイオマスをアンモニア水に分散させた基質混合物を前処理して、該基質からリグニンが十分に解離され、又は該基質を十分に膨潤させた糖化前処理物を得ることができるリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理物の製造方法を提供することを目的とする。【００１７】
また、本発明は、前記リグノセルロース系バイオマスの糖化前処理物の製造方法に用いる糖化前処理装置を提供することにもある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
かかる目的を達成するために、本発明は、基質としてのリグノセルロース系バイオマスを糖化する前に前処理を施して、該基質からリグニンが解離され、又は該基質が膨潤された糖化前処理物を得るリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理物の製造方法において、該基質と、２０〜３０質量％の範囲の濃度のアンモニア水とを、基質：アンモニア水＝１：０．７〜１：１．３の質量比で混合して基質混合物を得る工程と、該基質混合物を加熱し、２５〜１００℃の範囲の温度に、１〜１００時間の範囲の時間保持して該基質からリグニンを解離し、又は該基質を膨潤させて、アンモニア含有糖化前処理物を得る工程と、該アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアを分離させて糖化前処理物を得る工程とを備えることを特徴とする。【００１９】
本発明のリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理物の製造方法では、まず、基質としてのリグノセルロース系バイオマスと、２０〜３０質量％の範囲の濃度のアンモニア水とを、基質：アンモニア水＝１：０．７〜１：１．３の質量比で混合する。この結果、前記アンモニア水に前記リグノセルロース系バイオマスが分散されると共に、該リグノセルロース系バイオマスに該アンモニア水が均一に含浸された基質混合物を得ることができる。【００２０】
ここで、前記アンモニア水の濃度が２０質量％未満であるときは、前記基質からのリグニンの解離又は該基質の膨潤が不十分になる。一方、前記アンモニア水の濃度が３０質量％を超えても、前記基質からのリグニンの解離又は該基質の膨潤について、それ以上の効果を得ることはできない。【００２１】
また、前記基質１質量部に対して添加される前記アンモニア水が０．７質量部未満であるときは、該アンモニア水が過少になり、該基質に該アンモニア水を均一に含浸させることができない。この結果、前記基質からのリグニンの解離又は該基質の膨潤が不十分になる。【００２２】
一方、前記基質１質量部に対して添加される前記アンモニア水が１．３質量部を超えても、前記基質からのリグニンの解離又は該基質の膨潤について、それ以上の効果を得ることはできない。また、前記基質１質量部に対して添加される前記アンモニア水が１．３質量部を超えると、前記基質混合物の加熱に要するエネルギーが過大になる。【００２３】
次に、本発明のリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理物の製造方法では、前記基質混合物を加熱することにより、該基質からリグニンを解離し、又は該基質を膨潤させて、アンモニア含有糖化前処理物を得る。前記加熱は、２５〜１００℃の範囲の温度に、１〜１００時間の範囲の時間で保持することにより行う。この結果、前記基質から十分にリグニンを解離し、又は該基質を十分に膨潤させることができる。【００２４】
前記加熱における温度が２５℃未満であるときには、前記基質からリグニンを解離し、又は該基質を膨潤させるために前記温度に１００時間を超える時間保持しなければならない。このため、前記基質からリグニンを解離し、又は該基質を膨潤させるために要する熱エネルギーが過大になる。
一方、前記加熱における温度が１００℃を超えるときには、前記基質からリグニンを解離し、又は該基質を膨潤させるために前記温度に保持する時間が１時間未満となり、保持時間の管理が困難になる。前記加熱における温度が１００℃を超えるときには、適正な保持時間を超えると、前記基質混合物に含まれる該基質が部分的に互いに焼き付いたり、反応容器に焼き付く等の不都合がある。【００２５】
次に、本発明のリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理物の製造方法では、前記アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアを分離する。この結果、前記基質からリグニンが解離され、又は該基質が膨潤されていると共に、アンモニアを含まない糖化前処理物を得ることができる。【００２６】
本発明のリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理物の製造方法は、前記構成に加えて、前記アンモニア含有糖化前処理物から分離されたアンモニアを水に溶解させてアンモニア水として回収する工程と、前記糖化前処理物を後工程に移送する工程とを備えることが好ましい。【００２７】
本発明のリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理物の製造方法では、前記のように分離されたアンモニアを水に溶解させてアンモニア水として回収することにより、回収されたアンモニア水を容易に再利用に供することができる。また、本発明のリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理物の製造方法では、前記のようにして製造された糖化前処理物を後工程に移送することにより、後工程の酵素糖化における糖化率を向上させることができる。【００２８】
また、本発明のリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理物の製造方法において、前記基質混合物の加熱は、６０〜９０℃の範囲の温度に、６〜２４時間の範囲の時間で保持することにより行うことが好ましい。
前記加熱における温度が６０℃未満であるときには、前記基質からのリグニンの解離又は該基質の膨潤のために、前記温度に２４時間を超える時間保持しなければならず、該基質からのリグニンの解離又は該基質の膨潤に要する熱エネルギーが過大になることがある。一方、前記加熱における温度が９０℃を超えるときには、前記基質からのリグニンの解離又は該基質の膨潤のために前記温度に保持する時間が６時間未満となり、保持時間の管理が困難になることがある。【００２９】
本発明のリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理物の製造方法に用いる糖化前処理装置は、基質としてのリグノセルロース系バイオマスを糖化する前に前処理を施して、該基質からリグニンが解離され、又は該基質が膨潤された糖化前処理物を得るリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理装置において、該基質と、２０〜３０質量％の範囲の濃度のアンモニア水とを、基質：アンモニア水＝１：０．７〜１：１．３の質量比で混合して基質混合物を得て、得られた基質混合物を加熱して、２５〜１００℃の範囲の温度で、１〜１００時間の範囲の時間保持し、該基質からリグニンを解離し、又は該基質を膨潤させて、アンモニア含有糖化前処理物を得て、得られたアンモニア含有糖化前処理物からアンモニアを分離させて糖化前処理物を得る処理手段と、該処理手段に該アンモニア水を供給するアンモニア水供給手段とを備えることを特徴とする。【００３０】
本発明のリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理装置は、前記基質混合物を得る工程と、前記アンモニア含有糖化前処理物を得る工程と、前記糖化前処理物を得る工程とを、単一の処理手段で行うことにより、所要の熱エネルギーを効率良く用いることができ、コストを低減することができる。【００３１】
本発明のリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理装置は、前記構成に加えて、前記アンモニア含有糖化前処理物から分離されたアンモニアを水に溶解させてアンモニア水として回収するアンモニア水回収手段と、前記糖化前処理物を後工程に移送する移送手段とを備えることがさらに好ましい。【００３２】
本発明のリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理装置は、前記アンモニア水回収手段を備えることにより、前記のように分離されたアンモニアを水に溶解させてアンモニア水として容易に回収することができる。また、本発明のリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理装置では、前記移送手段を備えることにより、前記のようにして製造された糖化前処理物を後工程に移送して、後工程の酵素糖化に供することができる。【００３３】
また、本発明のリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理装置は、前記構成に加えて、前記アンモニア水回収手段により回収されたアンモニア水を、前記アンモニア水供給手段に還流するアンモニア水還流手段と、前記アンモニア水供給手段に還流されるアンモニア水の濃度を調整するアンモニア水濃度調整手段とを備えることが好ましい。【００３４】
本発明のリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理装置は、前記アンモニア水還流手段を備えることにより、前記アンモニア水回収手段により回収されたアンモニア水を前記アンモニア水供給手段に供給し、再利用に供することができる。このとき、前記アンモニア水回収手段により回収されたアンモニア水は、その濃度が前記リグノセルロース系バイオマスに添加されるべきアンモニア水の前記範囲の濃度に満たないことがある。この場合、本発明のリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理装置は、前記アンモニア水濃度調整手段を備えることにより、前記回収されたアンモニア水の濃度を所定の範囲の濃度に調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明のリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理装置の一構成例を示すシステム構成図。
【図２】糖化前処理において、基質に添加されるアンモニア水の濃度と、酵素糖化における糖化率との関係を示すグラフ。
【図３】糖化前処理において、基質１質量部に対して添加されるアンモニア水の質量と、酵素糖化における糖化率との関係を示すグラフ。
【図４】糖化前処理において、基質混合物を、８０℃、１００℃、１２０℃の各温度で加熱したときの保持時間と、酵素糖化における糖化率との関係を示すグラフ。
【図５】糖化前処理において、基質混合物を、２５℃、５０℃、６０℃、８０℃、１００℃の各温度で加熱したときの保持時間と、酵素糖化における糖化率との関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
【００３７】
本実施形態のリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理物の製造方法では、図１に示す糖化前処理装置１を用いて、リグノセルロース系バイオマスの糖化前処理物を製造する。
【００３８】
糖化前処理装置１は、処理手段としての反応槽２と、アンモニア水回収手段としての吸収塔３と、アンモニア水供給手段としてのアンモニア水タンク４とを備えている。
反応槽２は、基質としてのリグノセルロース系バイオマスとアンモニア水とを混合して基質混合物を得て、該基質混合物を所定温度に所定時間保持してアンモニア含有糖化前処理物を得る。そして、前記アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアを放散させて分離することにより、アンモニアを含有しない糖化前処理物を得る。
吸収塔３は、反応槽２で得られた糖化前処理物から放散されるアンモニアを、水に吸収させてアンモニア水として回収する。アンモニア水タンク４は、吸収塔３で得られたアンモニア水を貯留し、反応槽２に供給する。
【００３９】
反応槽２は、逆円錐形状に形成された容器であり、その内部で前記基質とアンモニア水との攪拌、前記基質混合物の加熱、前記アンモニア含有糖化前処理物からのアンモニアの放散等の処理を行う。このため、反応槽２は内部に垂下された垂直軸５と、上部に配置され垂直軸５を回転駆動するモータ６とを備えており、垂直軸５には、水平方向に延出された攪拌翼７が設けられている。
【００４０】
また、反応槽２の上部には、基質としてのリグノセルロース系バイオマスを供給する基質供給導管８と、アンモニア水供給導管９と、アンモニアガス導管１０とが備えられている。アンモニア水供給導管９は、アンモニア水タンク４に接続されており、アンモニア水タンク４から供給されるアンモニア水を反応槽２に案内する。また、アンモニアガス導管１０は、吸収塔３に接続されており、反応槽２で発生したアンモニアガスを吸収塔３に導出する。
【００４１】
反応槽２の下部には、糖化前処理物を排出する排出口２ａが設けられている。排出口２ａには、開閉ダンパ２ｂを介して、糖化前処理物を後工程に移送する移送手段としての移送導管１１が接続されており、移送導管１１の他方の端部はサイクロン１２に接続されている。
【００４２】
また、反応槽２の外側には内部の温度調整を行うためのジャケット１３が設けられている。ジャケット１３は、内部に水蒸気を流通することにより反応槽２内部の温度調整を行うことができ、上部に水蒸気を供給する水蒸気供給導管１４が接続される一方、下部にはドレン排出導管１５が接続されている。
【００４３】
また、反応槽２は、反応槽２内に加圧空気を供給する第１空気供給導管１６と、移送導管１１に加圧空気を供給する第２空気供給導管１７とを備えている。第１空気供給導管１６は反応槽２の上部に接続されており、第２空気供給導管１７は移送導管１１の開閉ダンパ２ｂ側の端部に接続されている。
【００４４】
反応槽２の上部に備えられているアンモニアガス導管１０は、反応槽２と吸収塔３との間で、第１の排気管路１８ａと、第２の排気管路１８ｂとに分岐している。第１の排気管路１８ａは途中に開閉弁１９ａを備えている。また、第２の排気管路１８ｂは途中に開閉弁１９ｂを備えると共に、開閉弁１９ｂの下流側に真空ポンプ２０を備えている。
【００４５】
吸収塔３は、下部にアンモニア水貯留部３ａを備えると共に、上部にイオン交換水供給導管２１を備えている。アンモニア水貯留部３ａには、アンモニア水還流手段としての送液導管２２が接続されており、送液導管２２はポンプ２３を介してアンモニア水タンク４に接続されている。
【００４６】
アンモニア水タンク４は、アンモニア水濃度調整手段としての、アンモニア濃度センサ４ａと、濃アンモニア水供給導管２４とを備えている。また、アンモニアタンク４の下部には、アンモニア水供給導管９が接続されており、アンモニア水供給導管９の途中には、ポンプ２５が配設されている。
【００４７】
次に、本実施形態の糖化前処理装置１の作動について説明する。
【００４８】
本実施形態の糖化前処理装置１では、まず、基質供給導管８から、リグノセルロース系バイオマスである稲藁を基質として反応槽２に供給すると共に、アンモニア水供給導管９からアンモニア水を反応槽２に供給する。本実施形態では、稲藁１質量部に対し、５〜３５質量％アンモニア水を０．７〜１．３質量部の範囲の質量比で、反応槽２に供給する。そして、モータ６を駆動することにより攪拌翼７を回転させて、稲藁とアンモニア水とを攪拌し、稲藁とアンモニア水とが混合された基質混合物を得る。
【００４９】
本実施形態では、前記基質としての稲藁は、カッターミルにより粉砕されて、少なくとも粒径１ｍｍ以上の粒子が累積３０％以上となるようにされている。前記稲藁は、前記のように粉砕されていることにより、反応槽２内でアンモニア水と、低回転数でかつ短時間攪拌することにより、稲藁が凝集することなく前記基質混合物を得ることができる。前記稲藁は、前記範囲より細かく粉砕されていると、アンモニア水と攪拌したときに微粉砕された稲藁が凝集して粘土状となるために、攪拌することが困難となることがある。
【００５０】
次に、反応槽２内の基質混合物を所定の温度、例えば、２５〜１００℃の範囲の温度、好ましくは６０〜９０℃の範囲の温度に、１〜１００時間の範囲の時間、好ましくは６〜２４時間の範囲の時間で保持して加熱する。前記基質混合物の加熱は、例えば、６０℃の温度に２４時間保持するか、又は８０℃の温度に８時間保持することにより行われる。前記加熱は、水蒸気供給導管１４を介してジャケット１３に水蒸気を供給することにより行うことができる。
【００５１】
この結果、セルロース又はヘミセルロースにリグニンが強固に結合した基質からリグニンを解離し、又は基質を膨潤させたアンモニア含有糖化前処理物を得ることができる。前記のように基質からリグニンを解離し、又は基質を膨潤させることにより、後工程で基質のセルロース又はヘミセルロースを酵素糖化することが可能になる。
【００５２】
反応槽２内の前記基質混合物を前記のように加熱すると、前記アンモニア含有糖化前処理物が得られたときには反応槽２内部は加圧状態となっており、該アンモニア含有糖化前処理物に含まれているアンモニアガスが自然に放散される状態となっている。そこで、次に、反応槽２内のアンモニア含有糖化前処理物からアンモニアガスを放散させる。放散開始時には、上述のように反応槽２内が加圧状態となっているので、第１の排気管路１８ａの開閉弁１９ａを開弁すると共に、第２の排気管路１８ｂの開閉弁１９ｂを閉弁し、第１の排気管路１８ａを介して回収塔３にアンモニアガスを導出する。
【００５３】
前記のようにアンモニアガスを導出すると、反応槽２内部の圧力は時間経過と共に低下し、アンモニアガスの放散量も低下する。そこで、アンモニアガスの放散量が所定量未満に低下したならば、第１の排気管路１８ａの開閉弁１９ａを閉弁すると共に、第２の排気管路１８ｂの開閉弁１９ｂを開弁し、真空ポンプ２０を駆動する。このようにすることにより、さらに、第２の排気管路１８ｂを介して回収塔３にアンモニアガスを導出することができる。この結果、アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアを十分に放散させて、アンモニアが分離された糖化前処理物を得ることができる。
【００５４】
このとき、前記基質としての稲藁が前記のように粉砕されていることにより、アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアを十分に放散させることができ、糖化前処理物内に残留するアンモニアを低減することができる。一方、前記基質としての稲藁が前記範囲より細かく粉砕されていて、アンモニア水との混合により粘土状となっていると、アンモニアが粘土状の稲藁内部に残留し、十分に放散させることができないことがある。
【００５５】
次に、反応槽２において、アンモニアが分離された糖化前処理物中の水分含有率を調整する。前記水分含有率の調整は、水蒸気供給導管１４を介してジャケット１３に水蒸気を供給して、反応槽２の内部を所定時間加熱することにより行うことができる。この結果、粉体移送可能な糖化前処理物を得ることができる。
【００５６】
次に、反応槽２の開閉ダンパ２ｂを開放すると共に、第１空気供給導管１６を介して反応槽２の上部から加圧空気を供給することにより、前記糖化前処理物が排出口２ａから排出される。また、このとき、第２空気供給導管１７を介して移送導管１１に加圧空気を供給することにより、排出口２ａから排出された糖化前処理物が移送導管１１を介してサイクロン１２に移送される。
【００５７】
前記糖化前処理物は、サイクロン１２で排気と分離された後、さらに後工程に移送される。
【００５８】
一方、反応槽２内で、前記アンモニア含有糖化前処理物から分離されたアンモニアガスは、吸収塔３に供給される。そして、アンモニアガスは、イオン交換水供給導管２１を介して吸収塔３の上部から散布されるイオン交換水に吸収されてアンモニア水として回収され、アンモニア水貯留部３ａに貯留される。前記のように回収されたアンモニア水は、アンモニア水貯留部３ａから、送液導管２２及びポンプ２３によりアンモニア水タンク４に送液される。
【００５９】
アンモニアタンク４に送液されたアンモニア水は、アンモニア濃度センサ４ａにより検出されるアンモニア濃度に対応して濃アンモニア水供給導管２４から供給される濃アンモニア水により、５〜３５質量％の濃度に調整される。そして、前記濃度に調整されたアンモニア水が、アンモニア水供給導管９を介して反応槽２に供給され、バイオマスとの混合に再利用される。
【００６０】
次に、図１に示す糖化前処理装置１を用いるリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理物の製造方法の一例について説明する。
【００６１】
本実施形態では、まず、基質としての前記稲藁と前記アンモニア水とを、稲藁：アンモニア水＝１：１の質量比で反応槽２に供給して、基質混合物を得た。アンモニア水の濃度は、３０質量％以下の範囲で変量した。次に、前記基質混合物を、反応槽２内で８０℃の温度に８時間保持して加熱することにより、前記基質からリグニンが解離され、又は該基質を膨潤させたアンモニア含有糖化前処理物を得た。
【００６２】
次に、反応槽２内で前記アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアガスを放散させて、糖化前処理物を得た。
【００６３】
次に、移送導管１１を介して、前記糖化前処理物をサイクロン１２に移送し、さらにサイクロン１２から後工程である酵素糖化工程へ移送した。
【００６４】
次に、前記糖化前処理物の製造方法における前記アンモニア水の濃度と、前記酵素糖化工程における糖化率との関係を図２に示す。前記糖化率は、前記基質からのリグニンの解離又は基質の膨潤の状態の指標であり、該糖化率が高いほど前記基質からのリグニンの解離又は基質の膨潤が良好であることを示す。
【００６５】
図２において、アンモニア水の濃度が２０質量％未満の範囲では、アンモニア水の濃度が高くなるほど前記糖化率も高くなるが、２０〜３０質量％の範囲では前記糖化率が略一定となっている。従って、アンモニア水の濃度を２０〜３０質量％の範囲とすることにより、前記基質からリグニンを十分に解離させ、又は該基質を十分に膨潤させることができることが明らかである。
【００６６】
次に、前記糖化前処理の製造方法において、基質としての稲藁１質量部に対して添加される２５質量％の濃度のアンモニア水の量と、前記酵素糖化工程における糖化率との関係を図３に示す。
【００６７】
図３において、稲藁１質量部に対し、アンモニア水が０．７質量部未満の範囲では、アンモニア水の量が増加するほど前記糖化率も高くなるが、アンモニア水が０．７質量部以上の範囲では前記糖化率が略一定となっている。従って、稲藁１質量部に対するアンモニア水の量を０．７〜１．３質量部の範囲とすることにより、前記基質からリグニンを十分に解離させ、又は該基質を十分に膨潤させることができ、１．３質量部を超えてもそれ以上の効果は得られないことが明らかである。
【００６８】
次に、前記糖化前処理物の製造方法において、稲藁に対して２５質量％の濃度のアンモニア水を１：１の質量比で添加し、得られた基質混合物を加熱したときの保持時間と、酵素糖化における糖化率との関係を、図４及び図５に示す。図４は、加熱温度を８０℃、１００℃、１２０℃とした場合を示し、図５は加熱温度を２５℃、５０℃、６０℃、８０℃、１００℃とした場合を示す。
【００６９】
図４において、加熱温度が８０〜１２０℃の範囲の場合には、各温度に８時間保持することにより、糖化率が飽和しており、１００℃の場合と１２０℃の場合とでは殆ど差が無い。また、図５において、加熱温度が２５℃の場合には１００時間で、１００℃の場合には１時間で糖化率が飽和しており、５０〜８０℃の範囲の場合には、それぞれの温度により１〜１００時間の範囲の時間で糖化率が飽和している。
【００７０】
従って、前記基質混合物は、２５〜１００℃の範囲の温度に、１〜１００時間の範囲の時間で保持することにより、前記基質からリグニンを十分に解離させ、又は該基質を十分に膨潤させることができることが明らかである。
【符号の説明】
【００７１】
１…リグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置、  ２…反応槽（処理手段）、  ３…回収塔（アンモニア水回収手段）、  ４…アンモニア水タンク（アンモニア水供給手段）、  ４ａ…アンモニア濃度センサ（アンモニア水濃度調整手段）、  １１…移送導管（移送手段）、  ２２…送液導管（アンモニア水還流手段）、  ２４…濃アンモニア水供給導管（アンモニア水濃度調整手段）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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